Hvordan oppfylle nye krav til pålitelighet og signalintegritet for USB4 Gen 3 Type C

USB4-grensesnittet med sin maksimale dataoverføringshastighet på 40 gigabits per sekund (Gbits/s) over to baner har lagt ekstra vekt på konstruktører for å oppfylle kravene til signalintegritet og elektromagnetisk interferens (EMI). I tillegg krever den nåværende bruken av Type-C-kontakter av flere data- og visningsprotokoller at de deler den tilgjengelige båndbredden over sine felles busser. Designere må også være sikre på at kontaktene, i likhet med alle USB4-komponenter, er sertifisert av flere standardiseringsorganisasjoner. Andre utfordringer med konstruksjonen inkluderer å redusere risikoen for mekanisk skade på grunn av feil innsetting av plugger, samt behovet for å tilpasse seg sluttprodukter og bruksmodeller som krever større robusthet og mer avanserte funksjoner.

USB Type-C® -spesifikasjonen etablerer tilkoblingskrav som tar hensyn til utviklingsbehovene til systemer og enheter, samtidig som kompatibiliteten med alle funksjonelle fordeler ved eksisterende USB-skjemaer opprettholdes. Denne artikkelen forklarer konfigurasjonen og funksjonene til USB Type-C-kontakten og tar for seg enheter den brukes til. Den introduserer USB4-sertifiserte USB Type-C-kontakteksempler fra Amphenol ICC som støtter alle de avanserte funksjonene som er beskrevet i spesifikasjonen, inkludert tilleggsfunksjoner som både reduserer EMI og forbedrer påliteligheten og den mekaniske integriteten til kontakten.

USB4 Gen 3 Type C-kontakt

USB Type-C-plugger og -kontakter er spesifisert av USB Implementers Forum (USB-IF) i dokumentet, «USB Type-C-kabel og -kontaktspesifikasjon revisjon 2.0», som dekker USB4 over USB-Type-C-kontakter og er tilgjengelig uten kostnad på USB-IF-nettstedet.

USB-C-kontakten bruker 24 pinner og gir USB-strømforsyning (Power Delivery – USB PD), dataoverføring, lyd og videoutgang i én og samme kontakt. Det mest merkbare med USB-C-kontakter er at de er reversible; det vil si at pluggen kan settes inn i stikkontakten begge veier – en funksjon som settes stor pris på av brukere som har hatt problemer med innsetting av de gamle USB-A-kontaktene. Denne evnen kan ses når du ser på signaltildelingene for USB-C-pluggene og -kontaktene (figur 1).

Midtpinneoppsettet som er vist i figur 1, er oppsettet for beholderen. Det er to pluggretninger vist: den øvre er for normal orientering, og den nedre viser pluggen rotert 180˚. Uansett pluggens retning, samsvarer tilsvarende signaler ved innsetting av pluggen.

Figur 1: Signaltildelingene for USB-C-pluggen (øverst og nederst) og kontakten (i midten) som vises ved å se inn i hver del, viser at 180˚ pluggrotasjon fremdeles resulterer i riktig matching av tilsvarende signaler ved innsetting. (Bildekilde: Art Pini)

Signalgruppene i USB-C-kontakter – vist i tabell 1, med matchende farger på de tilsvarende tilkoblingsstiftssignalene fra figur 1 – viser allsidigheten til USB-C-kontakter for bruk i forskjellige enheter. Høyhastighetsdifferensielle signalbaner kan støtte overføringshastigheter på opptil 40 Gbits/s og brukes til både USB4- og alternat-modus- og tunnelprotokoller.

Tabell 1: Et sammendrag av USB4-tilkoblingssignaler som inkluderer to høyhastighetsdifferensielle signalbaner, en USB 2-differensiell signalbane og strøm- og grensesnittkontrollsignaler. Signalgruppens fyllingsfarger samsvarer med de tilsvarende tilkoblingsstiftssignalene som er vist i figur 1. (Tabellkilde: Art Pini)

Protokollene for alternativ modus som støttes med USB4, inkluderer Thunderbolt, DisplayPort (DP), MHL (Mobile High-Definition Link), PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) og HDMI (High-Definition Multimedia Interface). Ytterligere protokoller for alternativ modus kan defineres og aktiveres via et USB PD-protokollhåndtrykk ved hjelp av strukturerte, leverandørdefinerte meldinger (VDM) for å oppdage og konfigurere alternative moduser.

USB PD tillater også enheter å forhandle strømnivået som leveres av kilden. USB4 støtter et maksimalt effektnivå på 100 watt ved 20 volt ved 5 ampere (A). Denne evnen kan kreve en programmerbar strømforsyning. Strømstyring og aktive kabler tillater rask lading. Strømkontrakter mellom enheter forhandles ved hjelp av konfigurasjonskanallinjen (CC) ved hjelp av bifasisk merkekoding ved 300 kilobaud, halv dupleks.

Det er mange fordeler med å bruke en felles tilkobling for alle disse forskjellige protokollene som dekker enheter innen lyd-, video-, datalagrings- og datakommunikasjon. Den gjør det også mulig å definere nye og nye protokoller etter hvert som de utvikles.

Tildelingene av koblingsstifter viser et sunt fornuftsoppsett for å maksimere signalintegriteten. Høyhastighets- og USB 2-datalinjene er for eksempel differensielle for å minimere krysstale og EMI. I tillegg kjøres alle datalinjer mellom strøm- og bakkebusser eller andre signallinjer med lav båndbredde for å gi isolasjon, og datalinjene for høyhastighetstog plasseres på motsatte sider av oppsettet for å minimere krysstale mellom kjørefelt.

Funksjonene til Amphenol ICC USB4-kontaktens produkttilbud

For å møte designutfordringene til USB4, har Amphenol ICC introdusert fire USB4 Gen 3-kontakter som overgår den eksisterende standarden. De er neste generasjons kontakter som oppfyller standardens høye dataoverføringshastigheter på opptil 40 Gbits/s og er kompatible med USB-PD, med Thunderbolt-grensesnittet som kombinerer strømlading, tunnelering av USB- og PCIe-dataoverføring gjennom en enkelt Type-C-kontakt. Disse kontaktene støtter også både DisplayPort-video og lyd med 4K ultrahøyoppløsning (4K UHD) ved en oppdateringshastighet på 60 hertz (Hz).

En viktig USB4-funksjon i disse kontaktene er deres evne til dynamisk å optimalisere båndbredden mens de overfører video og data. Ifølge standarden er de nye USB4-kontaktene bakoverkompatible og støtter tidligere USB-versjoner, inkludert USB 2, 3.1 og 3.2, men med roterbar plugg og kabelorientering for den mye forbedrede USB-brukeropplevelsen. Koblingenes lille størrelse og funksjonelle allsidighet gjør dem ideelle for innbygging i ny teknologi.

Mekanisk konstruksjon støtter effekt og holdbarhet

Amphenol ICC USB4-kontaktene er designet for å gi utmerket ytelse for 10 000 parringssykluser, noe som gir høy holdbarhet og redusert slitasje fra sykliske operasjoner. Et fokus på kobbermetalllegeringer av høy kvalitet i utformingen av de ledende banene sikrer kontaktmotstand på 40 milliohm (mΩ) med lavt tap, og en utvidet 5 A-strømklasse for USB-strømforsyning på opptil 100 watt.

Kontaktene bruker en forbedret sidevegg for midtplaten som maksimerer kontaktområdet og stabiliserer kontaktytelsen slik at den beveger seg fritt (figur 2).

Figur 2: Den forbedrede sideveggdesignen til Amphenol ICC USB4-kontaktene gir «slarkefrie» tilkoblinger med bedre EMI-beskyttelse og forbedret mekanisk beskyttelse mot feil plugginnsetting. (Bildekilde: Amphenol ICC)

De forbedrede mekaniske funksjonene inkluderer en utvidet sideveggplate som strekker seg til hjørnet av stikkontakten for å hindre ikke-Type C-plugger, som mikro-USB-pluggen, i å bli satt inn. Den samme sideveggen er jordet med midtplaten, noe som gir ytterligere skjerming og redusert EMI. Tilføyde fordypninger på det indre skjoldet styrer pluggen og opprettholder riktig posisjon på pluggkroppen under innsetting. Hele den mekaniske montasjen gir stabil låseytelse og maksimal kontaktflateoverlapping av parringsledende overflater, noe som minimerer kontaktmotstanden. Et kraftig hørbart klikk sikrer full innsetting.

Amphenol ICC-produktfamilien

Det er fire USB4 Type-C-kontakter i Amphenol ICC-produkttilbudet (figur 3).

Figur 3: Amphenol ICC USB4 Gen 3 Type C-kontaktene inkluderer tre toppmonterte versjoner og en midtmontert versjon. (Bildekilde: Amphenol ICC)

GSB4D313302Y1HR toppmontert kontakt med rettvinklet hullmontering er for tiden sertifisert av USB-IF og anbefalt av Intel for Thunderbolt 4-bruk. Det ytre skallet har et ensartet tverrsnitt fra front til rygg med en midthøyde på 1,58 mm (avstand fra monteringsplanet til koblingsslangen).

12402056E512A og 12402073E512A er også toppmonterte beholdere med gjennomgående hullmontering, men de har et rektangulært ytre skall med en senterhøyde på 1,57 mm. Standardsertifisering av disse beholderne er under behandling (i skrivende stund).

12402075E512A er en midtmontert kontakt med en senterhøyde på bare 0,47 mm for en mer kompakt konfigurasjon. Den bruker også hullmontering. Sertifisering av denne beholderen venter også for øyeblikket.

Alle disse beholderne er klassifisert for drift over et temperaturområde fra -40 °C til +85 °C, noe som gjør dem til en god match for bruk i kjøretøyer.

Enhet for USB4-kontakter

Disse kontaktene vil bli brukt i lagring, bilinfotainment, hjemmeunderholdning, dokking, tilkobling for periferiutstyr (skjerm/skjerm, projektor) og andre bruksområder for forbrukere som bærbare datamaskiner og nettbrett. Deres lille størrelse, støtte for flere moduser og effektkontroll gir enorm allsidighet.

Konklusjon

USB Type-C-kontakten, med sin evne til å håndtere flere høyhastighetsprotokoller og effektnivåer, vil finne flere enheter etter hvert som brukerne ser etter raskere dataoverføringshastigheter, rask ladekapasitet og enkelhet i kontakten. Med USB4 får brukerne alternativ modus og tunnelstøtte. Disse forbedringene vil sikre bredere bruk av USB4 på tvers av mer varierte og potensielt hardere miljøer og bruksområder. For å hjelpe designerne med å ta hensyn til dette, er Amphenol ICC USB4-kontaktene designet for å overstige den grunnleggende USB-IF-spesifikasjonen, redusere virkningene av EMI og sikre gode tilkoblinger over mange sykluser og brede temperaturområder.